卫玉杰，成金华，王 然,杨 梅

(1.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)资源环境经济研究中心，湖北 武汉 430074；3.中国地质大学(武汉)经济管理学院，湖北 武汉 430074；4.潜江市土地交易管理中心，湖北 潜江 433100)

1 引言

水资源与社会经济高质量发展息息相关，是人类社会发展的基本保证。中国是一个人均水资源量严重短缺的国家，人均水资源量不足世界人均水平的33%，河南省人均水资源量不足中国人均水平的20%。水资源短缺和用水效率低下已成为制约经济社会可持续发展的主要因素，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标》明确提出“全面提高资源利用效率”“实施国家节水行动，建立水资源刚性约束制度”。探索提升水资源利用效率的路径对推动高质量发展具有重要意义。水资源需求分析更是水资源规划与管理的基础，因此探索经济社会发展对水资源生态压力，对制定水资源可持续利用政策具有重要启示。

2 文献综述

随着用水矛盾问题日益突出，水资源利用效率早期已受到了较多学者的关注，水资源的高效利用与有效配置是从本质上反映用水效率的变化，因为传统和粗放的水资源利用方式不可能带动经济高质量发展，这是经济学中的边际效益递减原理和日益增加的用水矛盾现实情况所共同决定的。其中李世详等认为中国水资源问题的核心就是利用效率的问题[1]，学者们分别从空间计量模型[2]、SBM模型[3]、主成分分析法[4]、前沿最近距离函数模型[5，6]等方法对水资源利用效率进行深入研究。其中，赵志博等认识到雄安新区的战略地位和用水矛盾问题，从水资源用水效率及节水潜力视角，结合情景分析和方向性距离函数模型，对不同情景下雄安区的用水效率及节水潜力路径进行深入分析[7]。

指数分解方法在能源经济学与环境经济学中被广泛用来分解能源强度、能源消耗量、碳排放驱动因素[8-11]。由于传统的Laspeyres指数分解方法存在不能完全分解的剩余项，随着影响因素的增加，剩余项的数值逐渐变大。1998年，Sun首次提出“共同创造、均等分摊”的完全指数分解方法得到研究学者的广泛推崇[12]。之后Ang B.W等提出了LMDI是研究增长的内在原因和作用强度的较为成熟的因素分解方法之一，不仅可以测量能源结构、经济结构和部门强度变化等因素，而且对能源强度变化的贡献率进行综合分解[13～15]，主要应用在能源强度变化驱动效应的分析，也有学者将该方法应用在水资源研究领域[16～22]，其中陈磊等对广东省因随着新型城镇化带来的用水矛盾日益突出问题，运用LMDI分解模型，探索21市生活用水变化的主要影响因素，推动城镇化绿色循环低碳发展的体制机制，为城乡水资源管理提供重要的参考依据[23]。为此，本文将运用较为成熟的LMDI方法研究水资源利用效率的关键因素，以探索提升路径。

从河南省水资源问题的相关研究来看，由于水利工程不足，区域之间和流域之间缺乏水系连通，造成用水难的问题[24]。2019年黄河流域发展确定为重大国家战略，河南省作为黄河流域重要节点城市、中原城市群中心区域，对抢抓黄河流域生态保护和高质量发展这一重大国家战略具有重要意义。其中刘华军等构建基于非期望产出的前沿最近距离模型，对黄河流域用水效率进行测度，分别从全国、区域及流域内部3个视角分析用水效率的时空分异规律，认为黄河流域用水效率高于全国平均水平，呈现出“东高西低”的空间分布特征，对推动黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义[5]。郭鹏军等运用Tapio弹性脱钩模型和生态足迹、碳排放模型深入研究了河南省经济增长与资源环境的脱钩程度，并利用STIRPAT模型分析了脱钩关系的影响因素，研究表明：河南省经济增长与资源环境由弱脱钩向强脱钩转变，经济的快速增长是制约二者脱钩关系的主要影响因素[25]；李俊等基于2008～2015年河南省工业用水数据，采用用水系数和LMDI模型对工业用水结构与影响因素进行研究[26]。

通过以上文献梳理，对于河南省地级市三次产业用水效率研究较少。基于此，本文利用LMDI分解模型和探索性空间数据分析，计算各驱动效应因素的相对贡献率，探讨水资源利用效率的时空差异规律和主要影响因素。研究成果对调整及制定相关产业发展和水资源利用政策具有一定的参考价值。

3 研究区域与方法

3.1 研究区域

河南省年均水资源总量为440亿m3，地跨淮河、长江、黄河和海河四大流域，纵横交错1500多条河流。以河南省为中心的中原经济区和中原城市群因国家出台的促进中部地区崛起的战略部署而出现了新的机遇，但同时面临因高强度的经济发展而带来的资源环境问题的挑战。在农业灌溉、工业生产、居民生活等方面，水资源与人类的活动息息相关，但水资源短缺及空间配置不平衡问题制约着我国高质量发展的步伐。因此，水作为基础性的自然资源和战略性的经济资源，对以河南省为主体的中原经济区和中原城市群的未来建设和发展有举足轻重的影响，从水资源消耗角度，探索其开发利用潜力，促进水资源消耗总量和用水强度“双控”标准化工作，助力“中部崛起”。

3.2 研究方法

本文选用LMDI方法将河南省水资源用水总量影响因素分解为技术进步效应、产业结构效应、经济规模效应，用水强度影响因素分解为技术进步效应和产业结构效应。本文分析了河南省水资源消耗变化的驱动机制以及各影响因素对水资源消耗变化的变动效应和贡献率，并结合探索性数据分析从空间角度研究驱动效应的空间相关性。

3.2.1 时间差异分解模型

(1)用水总量W可以表示为：

(1)

ΔW=Wt-Wt-1=ΔWI+ΔWS+ΔWG

(2)

(3)

(4)

(5)

(2)同理，用水强度I可以表示为：

(6)

式(6)中指标含义与公式(1)相同。用水强度从时间变化到的变化量可以分解为：

(7)

(8)

(9)

3.2.2 空间差异分解模型

(1)假定地区X和Y，则两地区之间用水总量差异ΔWX-Y可以表示为：

(10)

将地区X和地区Y之间的用水总量差异ΔWX-Y分解为以下3个驱动效应：

(11)

(12)

(13)

(14)

(2)同理，地区X和Y用水强度可以表示为：

(15)

式(15)中指标含义与(10)相同。用水强度的地区差异ΔIX-Y可以分解为2个效应：

(16)

其中：

(17)

(18)

3.2.3 探索性空间数据分析

利用蒙特卡罗方法检验地市用水总量驱动效应的空间分布状况[27]，主要是运用公式(19)来进行考察：

(19)

3.3 数据来源

本文选取河南省18个城市2000～2018年的数据，所涉及主要数据为产值指标和三次产业用水量指标。其中，产值指标：为了消除价格因素影响，河南省18个城市三次产业增加值均按照2000年不变价格进行调整，调整后的三次产业增加值加总便是河南省地区生产总值。产值数据主要来源于《河南省统计年鉴》，用水量数据主要来源于《河南省水资源公报》。

4 结果与分析

4.1 时间差异分解分析

从图1可以看出，河南省用水总量在2000～2018年间呈波动上升趋势，共增加了29.76亿m3，年均增长率达0.79%，由于河南省积极贯彻落实2011年《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》中首次提出的最严格水资源管理制度。用水强度从2001年后呈现持续递减趋势，年均下降9.14%，与全国平均用水强度一致，可能由于河南省水资源供给量较少以及《中华人民共和国水法》的颁布掀起节水型社会建设热潮所致，在2003年出现较大幅度的下降。因水资源总量贫乏且利用效率较低，对于区域经济的协调发展存在巨大挑战，因此对河南省用水总量和用水强度的驱动因素及空间相关性，对“双控行动”的贯彻实施具有重要意义。

图1 2000～2018年河南省水资源消耗变化趋势(数据来源于河南省水资源公报)

4.1.1 河南省用水总量时间差异分解分析

4.1.1.1 分阶段用水总量时间变化驱动效应

本文将研究时间结合经济社会发展的五年规划，划分为2000～2005年(十五)、2006～2010年(十一五)、2011～2015年(十二五)、2016～2018年(十三五)，综合考察这4个时间段内效应驱动水资源消耗演绎的时间分布特征及其动态演变规律(图2)。

由图2可知，研究时期内用水量总效应分别增加了6.49亿m3、23.74亿m3、-12.57亿m3、-15.48亿m3。“十二五”用水总量总效应呈下降趋势，与《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》和《最严格水资源管理制度》的贯彻实施密切相关。经济规模效应促进用水总量累计增加了398.32亿m3，属于增量效应；技术进步效应和产业结构效应抑制用水总量增加了-254.75亿m3和-113.8亿m3，属于减量效应。分阶段效应值：①经济规模效应是导致产业用水量上升的首要因素，效应均值81.94亿m3，水作为重要的经济战略资源，在经济高质量发展过程中占有重要地位。由于2011～2018年经济增长速度放缓，导致经济规模效应小于之前两个阶段。②技术进步效应对用水量的变化起到显著的减量效应，效应均值为-52.77亿m3。研究期内河南省用水强度下降趋势明显，水资源利用效率提高，说明技术进步取得长足的发展和进步。③产业结构效应对用水总量的变化起到负向驱动的作用，贡献远小于技术进步效应，效应平均值为-23.01亿m3。综合以上，技术进步效应和产业结构效应的累计值对水资源消耗的抑制作用小于经济规模效应对水资源消耗的促进作用，这与经济的快速增长密切相关。发展作为第一生产力一直是我国可持续发展的第一诉求，因此用水总量控制应围绕提高用水效率、优化升级产业结构的策略予以实施而不应该以减缓经济增长为代价。

图2 2000～2018年河南省分阶段用水总量驱动因素分解结果

4.1.1.2 驱动效应在三次产业内部差异

由上可知，控制用水量上升应围绕用水效率和产业结构展开，因此分析三次产业内部差异更有利于控制策略的制定。由图3可知，①技术进步效应：各时间段三次产业用水效率普遍提高，有力促进了用水总量下降。“十五”“十二五”和“十三五”，第一产业用水效率提高对用水总量下降的贡献最大，“十一五”第二产业贡献最大。②产业结构效应：对第一产业的政策是降低其比重，但此政策不适用二、三产业，因此，仅分析产业结构效应在第一产业内部差异。从下图可知，研究期内第一产业贡献值始终为负，从“十二五”开始，贡献值开始下降，表明该产业抑制用水量上升但抑制作用逐渐减弱。

图3 2000～2018年河南省分阶段用水总量驱动因素的产业差异

4.1.2 河南省用水强度时间差异分解分析

从表1中可以看出，2000～2018年河南省产业结构呈现“二三一”，第二产业生产总值比重一直大于第一和第三产业且处于上升趋势；第三产业生产总值比重处于平稳上升趋势；第一产业生产总值比重却呈现逐步下滑的趋势。三次产业用水结构与当地的经济发展和文明程度有着密切联系。如果用水结构以第一产业为主，则代表该地区的技术水平相对落后；如果用水结构以第二产业为主，则代表该地区工业化水平相对较高；如果用水结构以第三产业为主，则代表该地区文明程度相对较高[28]。河南省第一产业用水比重从66%下降至52%，第二产业用水比重从20%上升至21%，第三产业用水比重从14%上升至27%；用水强度从2000年的0.15 m3/元下降至0.05 m3/元，用水效率从2000年的24.66元/m3上升至134.84元/m3，表明河南省在经济高速发展的同时也注重用水效率的提升。虽然用水效率整体处于上升趋势，但是三次产业内部的用水效率则存在较大差距，第二产业用水效率最高，其次是第三产业，而第一产业的用水效率最低。

表1 2000～2018年河南省三次产业结构和用水结构 %

从表2可知，用水强度整体呈现从快速到缓慢的下降趋势，分别下降了177.19 m3/万元、87.41 m3/万元、40.47 m3/万元、9.2 m3/万元，表明河南省用水强度下降的空间逐渐缩小。技术进步效应和产业结构效应是促进用水强度上升的主次因素且绝对值都呈递减趋势，说明两者对用水效率提高的贡献逐渐增强。①技术进步效应：三次产业用水强度普遍提高但贡献值却在逐渐减弱。“十三五”第三产业用水强度为正，这表明仅仅依靠技术进步的提升来抑制用水强度的下降是远远不够的。②产业结构效应：研究期内第一产业贡献值始终为负且贡献力度逐渐减弱，表明仅仅依靠降低第一产业比重来抑制用水强度下降不是长久之计。

表2 2000～2018年河南省三次产业用水强度(m3/万元)

4.2 空间差异分解分析

图4可看出用水总量最大的南阳市达到23.71亿m3，用水总量最小的济源市2.31亿m3，用水总量的标准差为5.61亿m3。用水强度最大的濮阳297.38 m3/万元、最小的郑州市89.81 m3/万元，用水强度的标准差为71.71 m3/万元。由此可见，河南省用水总量和用水强度存在比较显著的空间区域分异。

图4 2000～2018年河南省各地级市用水总量、用水强度的平均值

4.2.1 分驱动效应用水总量的探索性空间数据分析

(1)全局自相关。由表3可以看出，通过Z统计量检验发现，河南省地市技术进步效应、产业结构效应的Moran’s I 指数均为正值且满足5%显著性水平检验，且全局Moran’s I值远离期望值E(I)(-0.0588)，表明地市分驱动效应具有显著的空间聚集特征，其中技术进步效应全局Moran’s I值总体呈现出增加-减小-增加-减小的“M”型波动趋势，产业结构效应全局Moran’s I值总体呈现增加-减小的倒“U”型波动趋势，而经济规模效应P值不显著，全局Moran’s I值呈负相关[27]。

表3 河南省地市用水总量空间自相关Moran’s I指数

技术进步效应全局Moran’s I值由0.476降低至0.07，空间相关性由聚集向扩散变化。“十五”，全局Moran’s I值呈现增长趋势，表现出明显的空间聚集状态，“十一五”莫兰指数的下降表明了空间上由集聚转向分散，全局相关性特征显著性减弱；“十二五”全局Moran’s I值呈现反弹上升趋势，这表明全局相关性特征显著性再一次加强；“十三五”全局Moran’s I值降低至最低值0.07，表明技术进步效应全局相关性减弱，空间扩散特征更加显著。

产业结构效应全局Moran’s I值由0.324增长至0.356，空间相关性聚集性加强。“十五”、“十一五”莫兰指数值增长至最大值0.418，这表明全局相关性特征显著性异常强大，空间呈超强聚集状态；2010～2018年，全局Moran’s I值由0.418降低至0.356，这表明产业结构效应空间聚集现象有所减弱。

(2)局部自相关。全局空间Moran’s I指数值是对分驱动效应全局相关性进行判别，局部空间性研究方法可以对局部特征进行可视化研究。运用ArcGIS软件绘制空间格局演化图，按照上文中定义驱动效应正负值对用水量的贡献，将河南省地市划分为四类：抑制区、次抑制区、次促进区、促进区，通过对比分驱动效应抑制区、次抑制区、次促进区、促进区，来分析地市局部空间演化特征，由于驱动效应的空间数据都是相对济源市计算得出，济源市的数据均为零，所以分析时不包含济源市。因篇幅有限，仅展示2000年、2010年和2018年。

技术进步效应：2000年的抑制区分布在周口和驻马店；次抑制区分布在商丘、郑州、洛阳、三门峡、许昌、漯河、平顶山和南阳；次促进区分布在开封和信阳；促进区分布在濮阳、安阳、鹤壁、新乡和焦作。2010年的抑制区分布在驻马店和商丘；次抑制区分布在三门峡、郑州、许昌、漯河、平顶山、南阳、信阳、周口、安阳和鹤壁；次促进区分布在洛阳、新乡和开封；促进区分布在濮阳和焦作。2018年的抑制区分布在驻马店、商丘和南阳、郑州和许昌；次抑制区分布在三门峡、洛阳、漯河、周口和鹤壁；次促进区分布在平顶山、安阳和信阳；促进区分布在濮阳、新乡、焦作和开封。

产业结构效应：2000年的抑制区分布在郑州和洛阳；次促进区分布在濮阳、安阳、鹤壁、新乡、焦作、开封、周口、许昌、漯河、驻马店、平顶山、南阳和三门峡；促进区分布在商丘和信阳。2010年的抑制区分布在郑州；次抑制区分布在洛阳；次促进区分布在濮阳、安阳、鹤壁、新乡、焦作、许昌、漯河、平顶山和三门峡；促进区分布在开封、商丘、周口、驻马店、信阳和南阳。2018年的次促进区分布在濮阳、安阳、鹤壁、焦作、郑州、许昌、漯河、平顶山、洛阳和三门峡；促进区分布在新乡、开封、商丘、周口、驻马店、信阳、南阳。

由上述可知，2000年和2010年，技术进步效应抑制区集中在周口、驻马店和商丘，2018年形成了“川”字型分布，由东向西主要包括：商丘、郑州、许昌、驻马店和南阳市，说明技术进步的提升对用水量的下降起到明显的抑制作用更有利于缩小空间差异。促进区集中在，以濮阳、焦作和新乡为中心的东北部城市。随着时间的变化，产业结构效应抑制区域逐渐减少，而促进区域逐渐扩大，说明随着新型城镇化的发展，城市人口的增加推动了水资源消耗的上升，不利于空间差异的减小。

4.2.2 分驱动效应用水强度的探索性空间数据分析

4.2.2.1 全局自相关

根据全局莫兰指数值来分析用水强度分驱动效应的全局空间相关性，结果如表2所示。研究期内用水强度驱动效应的全局Moran’s I值均大于0且通过了1%显著性水平检验，且全局Moran’s I值远离期望值E(I)(-0.0588)，表明驱动效应全局相关性特征显著性较强。

技术进步效应在研究期内全局莫兰值在0.288～0.137范围内变动，呈现出增长—减小—增长—减小的“M”型波动趋势。“十五”全局Moran’s I值呈现增长趋势，呈现出显著的空间集聚状态；“十一五”莫兰指数的下降表明了空间上由集聚转向分散，全局相关性特征显著性减弱；“十二五”全局Moran’s I值呈现反弹上升趋势，这表明全局相关性特征显著性再一次加强；2015～2018年全局Moran’s I值再次下降至最低点0.137，表明技术进步效应全局相关性减弱，空间扩散特征更加显著。

产业结构效应在研究期内全局莫兰指数值在0.382～0.4范围内波动增长，呈现出增长—减小的波动“倒U”趋势。“十五”全局Moran’s I值由0.382波动增长至2005年的最大值0.437，这表明全局相关性特征显著性异常强大，空间呈超强聚集状态；“十一五”、“十二五”、“十三五”莫兰指数值由0.437降低至最低点0.4，表明产业结构效应空间集聚现象逐渐减弱至最弱。

4.2.2.2 局部自相关。

同用水量局部相关分析一样，结果如图6所示。

图6 2000年、2010年和2018年用水强度驱动效应聚集图

技术进步效应：2000年的抑制区集中在郑州、许昌、漯河、商丘、周口、驻马店、平顶山、南阳和三门峡；次抑制区在洛阳；次促进区集中在信阳和开封；促进区集中在濮阳、安阳、鹤壁、新乡和焦作。2010年的抑制区集中在商丘、许昌、漯河、驻马店和三门峡(南阳、周口、鹤壁)；次抑制区集中在郑州、信阳、平顶山、洛阳和安阳；次促进区是开封；促进区集中在濮阳、新乡和焦作。2018年的抑制区是驻马店、三门峡、南阳、漯河、许昌、郑州和商丘；次抑制区集中在鹤壁、周口和洛阳；次促进区集中在安阳和新乡、平顶山、信阳；促进区集中在濮阳、焦作和开封。

由于产业结构效应不存在抑制作用，仅划分次促进区和促进区。2000年除郑州是次促进区域外其他均为促进区。2010年的次促进区集中在安阳、焦作、郑州、许昌、漯河、平顶山、洛阳和三门峡；促进区集中在濮阳、鹤壁、新乡、开封、商丘、周口、驻马店、信阳和南阳。2018年除信阳是促进区外其他均为次促进区。

由上述可知，技术进步效应抑制区域集中在中部城市，2018年形成了“川”字形分布态势，说明技术进步的提升对用水效率下降起到明显的抑制作用且有利于空间差异缩小；而产业结构效应的促进区占据除郑州市之外的所有城市，说明除郑州市外河南省其余地市的产业结构仍稳定的以第一产业为主，用水效率低下不利于空间差异的缩小。

5 讨论

由于水资源利用方式、不同行业生产方式和用水强度、社会经济条件及自然条件的显著性差异，引起的水资源开发利用存在明显的区域性特征。目前水资源研究聚焦于开发利用[29]、水安全[30]、水资源可持续发展[31]等方面，河南省水资源消耗主要是对单一产业用水量进行指数分解或者侧重于时间维度，缺乏空间格局演化分析。河南省作为黄河流域重要节点城市、中原城市群中心城市，抢抓黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略。习近平总书记强调：着力加强生态保护治理、保障黄河长治久安、促进全流域高质量发展、改善人民群众生活。LMDI分解模型从技术进步、经济水平、产业结构三个方面定量分析用水总量和用水强度，并首次结合探索性空间数据分析，探讨水资源消耗的时空差异规律和主要影响因素。研究成果对调整及制定相关产业发展和水资源利用政策具有一定的参考价值。因此，以河南省为例采用LMDI模型开展水资源消耗研究，选择区域比较典型，研究方法具有科学性。

6 结论

本文采用LMDI方法，按用水产业分析了水资源消费的三个驱动因素，包括技术进步效应、产业结构效应、经济规模效应，并从空间角度结合探索性数据分析，研究了驱动因素的空间相关性。结论如下。

(1)从总用水量来看，由于经济的快速增长，经济规模效应是导致总用水量增加的主要因素。技术进步效应和产业结构效应调整并不能促进总用水量的下降。但是，作为第一生产力的发展一直是中国可持续发展的第一要求，限制经济发展来促进用水量下降是不可取的。

(2)从用水强度来看，技术进步和产业结构对用水强度的贡献呈现出缓慢下降的趋势。结果表明，技术进步效应和产业结构效应对提高用水强度的贡献逐渐减弱。

(3)从全球自相关来看，技术进步效应和产业结构效应均存在显著的全局正相关关系。技术进步效应呈现出增-缩-增-缩“M”的趋势，产业结构的效应呈现出增-缩“倒U”的趋势。

(4)从局部空间相关性来看，技术进步效应形成了以“川”字形分布的抑制区域，这表明随着技术进步的不断提升，抑制用水量的上升发挥了显著作用，更有利于缩小空间差异；从产业结构效应看，城市人口的增加推动了居住部门水资源消耗的上升但第一产业用水量仍占据主要地位，不利于空间差异的缩小，需要提升产业结构用水效率优化产业结构升级。